P.L.A.N.T. - rastlinski detekcijski sistem za bojne strupe

Spletna stran projekta: https://2021.igem.org/Team:Bielefeld-CeBiTec Avtorica povzetka: Tina Logonder

Uvod

V Nemčiji se po celotni državi nahaja preko 200 odlagališč kemičnih orožij iz obeh svetovnih vojn. Ker so bila orožja odvržena nekontrolirano, lahko pride do uhajanja strupov v naravo, kar predstavlja grožnjo za zastrupitev ljudi in okolja. Skupina nemških podiplomskih študentov iz Bielefelda je na tekmovanju iGEM predstavila rešitev tega problema – detekcija strupov s pomočjo rastlin. Ideja je pripraviti rastline, ki bi se ob prisotnosti bojnih strupov v tleh obarvale iz zelene v rdečo. In sicer so razvili specifične receptorje za bojne strupe, ki ob vezavi tarčne molekule sprožijo signalno kaskada. Ta pa vodi v izražanje reporterskih proteinov, kar privede do sinteze rdečega barvila, ki liste rastline obarva rdeče. To bi zagotovilo poceni in prilagodljiv detekcijski sistem za lokalizacijo ostankov kemičnih strupov. Temu bi sledila odstranitev strupov iz okolja ali pa morebitno zavarovanje kontaminiranega območja.

Hidrokulture

V prvem delu eksperimenta so testirali, če kemikalije, s katerimi bi testirali delovanje zasnovanega sistema, sploh prehajajo v rastline. Pri tem so uporabili spojine, ki so podobne spojinam v kemičnih orožjih, so varne za delo v laboratoriju in stabilne v naravi, posledično imajo velik potencial kontaminacije okolja in podtalnice. Uporabili so rastlino tobaka (Nicotiana benthamiana), jo gojili kot hidrokulturo in dokazali, da ta rastlina tolerira vse testirane spojine (DIMP, DEMP, MPA, TDG in BTCA). Poleg tega so z GC/MS dokazali, da so rastline testirane kemikalije dejansko absorbirale in da kemikalije ostanejo prisotne v rastlinskem tkivu tudi po 9 dneh.

Proteinsko inženirstvo

Ključen korak do funkcionalnega detekcijskega sistema razpadnih produktov kemičnih orožij je razvoj receptorja, ki specifično veže tarčno molekulo. Kot izhodni protein so si izbrali riboza vezavni protein (RBP – ribose binding protein). Z računalniškimi metodami so ustvarili funkcionalen in specifičen receptor, ki veže kemičnim orožjem podobne spojine. Za pripravo rastline za detekcijo specifične spojine so uporabili modularni sistem, v katerem lahko receptor preprosto zamenjamo in tako pripravimo rastlino, ki je detektor za neko drugo spojino.

Reporterja Ruby in Anthos

Po detekciji razpadnih produktov kemičnih orožij in aktivaciji signalne kaskade pride do generiranja vizualnega izhodnega signala. Za ta namen so konstruirali novo biokocko – reporter ruby (BBa_K3900028), ki vsebuje gene za biosintezo betalaina. Izražanje tega reporterja povzroči rdeče obarvanje rastline.

Bakterijski in rastlinski testni sistemi

Njihov rastlinski sistem omogoča detekcijo specifičnih spojin na podlagi signalne kaskade, ki se aktivira po vezavi liganda na specifičen receptor. V procesu razvoja gensko spremenjene rastline, ki bi ob detekciji določenih kemikalij spremenila barvo, so sprava potrebovali preprostejši in hitro rastoč modelni organizem. Zato so za izvedbo začetnih testov signalne kaskade in de novo pripravljenih receptorjev uporabili bakterijo Escherichia coli. Nato pa so sledili testi funkcionalnosti signalne kaskade s prehodnih izražanjem v rastlini Nicotiana benthamiana.

Viri

[1] “Team:Bielefeld - 2021.igem.org.” [Online]. Available: https://2021.igem.org/Team:Bielefeld-CeBiTec. [Accessed: 09-Apr-2022].